（电工理论与新技术专业论文）基于虚拟仪器技术的电气参数测量系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n ti sag r e a tn e wp r o d u c t i o nw h a ti sb a s e do nc o m p u t e rh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei na d d i t i o nb u s t e c h n o l o g yi n o s c u l a t i n g w i t h m e a s u r i n g a n di n s t n m m n t a f i o n t e c h n o l o g y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n di n t e r n e tt e c h n o l o g y , t h ev i s t a n d a r df o u n d e do n o p e n m o d u l a rc r i t e r i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e c o n s u m m a t e ，v a r i o u s a d v a n c e di n s t r u m e n t sb a s e do nv 1w i l le m e r g e e n d l e s s l y , a n dt h ep r i c ew i l lb em u c hc h e a p e r i ti sat r e n dt h a tu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt os t u d y i n g ，d e s i g n i n ga n d t e s t i n g a f t e ra n a l y z i n gt h ev i s a c t u a l i t y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e s av i r t u a le l e c t r i c p a r a m e t e r m e a s u r i n gs y s t e ma p p l y i n gt oe l e c t r i c a le x p e r i m e n tt e a c h i n g ：v i r t u a lt h r e e - p h a s ea c e l e c t r i c p a r a m e t e rm e a s u r i n gd e v i c ea n dv i r t u a ls c o p e t h ep c d a qm o d ei ss e l e c t e dt oc o n s t i t u t e t h ev im e a s u r i n gs y s t e m a n dt h eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g el a b v i e wi su s e da s s o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m as p e c i m e no f t h e v i r t u a lm e a s u r i n g s y s t e mh a sc o m p l e t e d d u r i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，t h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n dt h ed a q c a r di s i m p o r t a n tt ow h o l es y s t e m sa c c u r a c y t h i sp a p e re x p a t i a t e st h ed e s i g no fs i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t ，i n c l u d e st h ed e s i g ns c h e m e ，r a t i o n a l ea n dp a r a m e t e r ss e l e c t i o n t h i sp a p e ra l s os h o w s m a t t e r sn e e da t t e n t i o ni nd o i n g p r i n t e d c i r c u i tb o a r d ， a b o u tt h es o f t w a r e ，t h ei d e ao fm o d u l a r i z e dd e s i g ni s e m p h a s i z e di n t h i sp a p e r t h e o p t i m u ms a m p l i n gp r o c e s sd m a i s a d o p t e dt oe n h a n c et h ep r e c i s i o no fd a t aa c q u i s i t i o n ， m a n ys u bp r o g r a mm o d u l ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s ，t h e ya r et h ep a r a m e t e r sm e a s u r i n g ，r a n g e s w i t c h i n g & c o n t r o l ，f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s d i g i t a l f i l t e rm o d u l a ra n ds oo nt h e m e t h o dh o wt oc r e a t ee x e c u t a b l e p r o g r a m a n di n s t a l l a t i o nr o u t i n ei sa l s oe x p l a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r er e c o r d e da n dt h es a m p l i n ge r r o ri sa l s oa n a l y z e di nt h i s p a p e r i tc a n b es e e nt h a tt h i st e s t i n gs y s t e mi ss a t i s f a c t o r y a tt h el a s t ，t h i sp a p e r p r e s e n t st h ec o n c l u s i o na n d r e c o m m e n d a t i o n s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lp a r a m e t e r v i r t u a li n s t r u m e n tl a b v i e wd a t aa c q u i s i t i o n f i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。 学位论文作者签名 夸丽 日期：2 。拜年8 - 月9 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学应论文的规定，即：学陵有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于。 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：季丽 日期：2 。啤年亨月 日 指导教师签名：韶湃禹 日期：口k 毕年，月9 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、数 字化仪器和智能仪器。8 0 年代末，随着微电子技术与计算机技术的飞速发展，测试技术 与计算机深层次的结合引起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导 致新一代仪器虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的出现， 1 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的 过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项美妙的新成果。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义、 具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。由于仪器的专业化 功能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或 称“软件即仪器“”。 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面皈，以多 种形式表达输出检测结果：利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处 理：利用i 7 0 接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计 算机仪器系统。使用鼠标或键盘操作虚拟仪器面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。 因此虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。 这里值得指出的是虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 和e d a 仿真软件中的虚拟仪器 概念完全不同。它完全可以代替传统台式测量测试仪器，而e d a 仿真软件中的虚拟仪器 是纯软件的、仿真的。 其中“v i r t u a l ”- - n g n 翻译成“虚拟的”“虚像的”“实质上的” “有效的”等几种意思。当前我们研制的虚拟仪器应该着重于功能上“实质的有效 的”仪器，不要片面地追求“虚像的”，单纯地追求外形上的相似而花大力气去模拟老 式仪器外形。这是一个误区。我们应该大力提倡追求仪器的功能和测试的精度及可靠性， 华中科技大学硕士学位论文 达到一种真正高级仪器的测试效果，而不要误入歧途，追求外形上的相似，浪费大量的 人力物力。 1 2 虚拟仪器的系统构成 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。计算机与 仪器硬件又称为v i 的通用仪器硬件平台“3 。 1 2 1 虚拟仪器的硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。 1 计算机 它一般为一台p c 机或者工作站，是硬件平台的核心。 2 i o 接口设备 i o 接口设备主要是完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线有其 相应的i o 接口硬件设备，如利用p c 机总线的数据采集卡板t d a q ) 、g p i b 总线仪器、 v x i 总线仪器模块、串口总线仪器等。按照i o 接口设备的不同，虚拟仪器主要有j 种 构成方式“1 。如图1 1 所示。 匝垂h 数据濮旨k 一接口仪器w 至丑 p c 机工作站 l a b v i e w 一串行仪器p l c i - l a bw i n d o w s l c v i 圈 崎叫现场总线设备| 。 图1 1 虚拟仪器构成方式 ( 1 ) p c d a q 测试系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组 成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总线，将数采卡板 ( d a q ) 插入计算机中的空槽中即可。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) g p i b 系统是一种通用接口测试系统，结构形式如图1 2 所示。它是由一台 p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器子系统构成。其中每个仪器子系统是一台带 g p i b 接口的单台仪器。该接口在功能上、电气上和机械接插上都按国际标准设计，内含 1 6 条信号线，每条线都有特定的意义。即使不同厂家的产品也相互兼容具有互换性，组 件系统时非常方便，拆散后各仪器子系统又可作单台仪表独立使用。一块g p i b 接口卡 可带多达1 4 台仪器。 利用g p i b 技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式， 排除人为因素造成的测试测量误差。同时，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板 自定义，开发和使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。 图1 2g p i b 测试系统陶成 ( 3 ) v x i 是结合g p i b 仪器和数据采集板( d a q ) 的最先进技术而发展起来的高速、 多厂商、开放式工业标准。v x i 总线是种高速计算机总线v m e 总线在仪器领域的 扩展，它是v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n 的缩写。v m e 总线标准自1 9 8 1 年确立以来，在国际上得到广泛应用。但是基于仪器的v m e 总线存在有一个最大的问题 是缺乏配套标准。1 9 8 7 年7 月，美国五家大仪器公司主动联合起来，在v m e 总线标准的 基础上制定了开放系统结构仪器所必须的附加标准，命名为v x i 总线。 v x i 总线系统是机箱式结构，如图1 3 所示。一个接插模件就相当于一台仪器或特 定功能的器件，多个模件共存于一个机箱组成一个测试系统。随着v x i 总线规范的不断 完善和发展、v x l 即插即用系统联盟的不懈努力，v x i 系统的组建和使用越来越方便， 它的高速率传输、模块式结构不仅使得仪器结构紧凑、小巧轻便，更使得集多种功能于 一体的现代集成式虚拟仪器变成现实。 华中科技大学硕士学位论文 口 c p u 仪器仪器仅器仪器仪器仪器 ”l”l4 24 2 、 一 l 上 r 命令者从者从者命令者从者 从者 丰计笪加，一 ic p u l c p ul lc p u 、一 仪器4 i仪器4 2 图1 3v x i 总线系统结构 ( 4 ) 基于串行口和其他工业标准总线的系统：将某些串行口仪器和工业控制模块 连接起来，组成实时监控系统。 无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式计算机或工作站 等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。因而，虚拟仪器的发展已经与计算机 技术的发展步伐完全同步，同时也显示出虚拟仪器的灵活性与强大的生命力。已在电子 测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等 方面的数据采集和分析中广泛应用。 1 2 2 虚拟仪器软件 虚拟仪器的功能由其软件定义，软件是虚拟仪器系统的灵魂。虚拟仪器软件系统应 主要包括操作面板设计、数据采集驱动、波形显示、信号分析与处理和i o 设备管理等 内容。它由两部分构成，即应用程序和i o 接口仪器驱动程序。 虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种：一种是文本式编程语言，常用的有l a b w i n d o w s c v i 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等，用这些工具开发具有成本低，不需再进 行专业软件培训等特点；一种是图形化编程语言，常用的有n i 公司推出的l a b v i e w 和 4 华中科技大学硕士学位论文 惠普公司的h pv e e 等，这些软件一般都带有专业性很强的组件、模块以及设备驱动程 序，用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作 简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。 i o 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通讯。 1 3 虚拟仪器的前景展望 同传统仪器相比较，虚拟仪器具有以下特点。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的对比 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术更新周期短( o j 1 年)技术更新周期长( 5 l o 年) 软件是关键硬件是关键 价格低价格昂贵 开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定 可用网络联络周边各仪器只可连有限的没备 自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便 综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是核心，高 质量的a d 采集卡及调理放大器与传感器是基础。 2 0 世纪8 0 年代美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n 简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念。此后虚拟仪器技术经过十几年发展，而今正沿着总线与驱 动程序标准化、硬软件模块化、编程平台图形化和硬件模块的即插即用方向前进。以 开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，加上计算机技术和网络技术 的迅猛发展，建立在虚拟仪器技术上的各种功能强大、性能优良的先进仪器将层出不穷， 价格也会越来越低，使用虚拟仪器进行研究、设计、测试将成为一种趋势，同样，虚拟 仪器技术也将成为学校未来教学科研的重要方法和手段，特别是在理工科学校其应用前 景非常广阔。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 课题来源和本文研究内容 本文的课题来源于电工基地虚拟仪器实验室建设项目。其意义在于： 1 虚拟仪器技术改变了实验测试仪器学习使用的旧观念，可由学生随心所欲地根据 自己地需要选择仪器系统，实现测量目的，这不仅使实验教学从验证为目的向发挥学生 个人的才能、想象力方面发展，而且对提高学生的创新素质起推动作用。 2 虚拟仪器中，“软件是仪器系统的关键”，通过使用开发软件如l a b v i e w 的编程方 法，可以很方便的改变虚拟仪器系统的功能与规模。 3 由于虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的优越性，例如虚拟仪器系统开放、数据自 动记忆和处理、各项数据测量的同时性、通用、复用并且价格低等，因而降低了测量仪 器的成本，对实验教学的电子仪器更新换代具有现实意义，电为仪器的维护和管理带来 了方便。 4 将虚拟仪器技术与网络技术结合起来，组成远程虚拟实验室，使远端的学员可以 不受地域、时间的限制，通过i n t e r n e t 利用浏览器在自己的计算机上进行各种虚拟实 验，学习掌握各种虚拟仪器的工作原理及操作使用方法。既可降低教师教学的劳动强度， 减少仪器设备的损坏，又可以提高实验教学质量与效果。 我们开发了虚拟电气参数测量系统，实现了三相交流电压电流有效值、有功功率、 无功功率。功率因数等常见电气参数的测量，并实现了示波器功能，具有信号波形显示 功能、相位差测量功能、数据存取功能以及谐波分析等高级分析功能。作者主要完成如 下工作： 1 电工实验虚拟仪器的总体方案设计。 2 信号调理电路的设计、安装、调试。 3 数据采集卡i o 驱动程序的熟练调用。 4 基于l a b v i e w 的应用程序编程。 j ，测试仪器性能并对误差进行分析。 本文主要章节组成： 第一章介绍了虚拟仪器的概念、系统构成、特点以及发展前景，介绍了课题来源和 华中科技大学硕士学位论文 作者所做的工作。 第二章提出了系统设计指标，介绍了虚拟仪器系统的测量原理，给出了总体设计方 案，介绍了所选数据采集卡的性能和所采用的软件开发平台l a b v i e w 。 第三章介绍了虚拟仪器硬件平台的设计。给出了三相交流电压和电流信号调理电路 的电路框图，并对各环节的工作原理、参数选择以及p c b 设计进行了介绍。 第四章介绍了虚拟仪器软件程序的设计。它包括了数据采集、量程转换控制、f f t 算法分析、数据存取等各个功能模块的具体设计原理和方法，同时也对系统的集成和安 装等工作做了说明。 第五章给出了仪器的测试和实验结果，并对系统的误差来源进行了分析。 第六章对全文进行总结，并提出需进一步开展的工作。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 1 系统设计指标 2 系统总体方案设计 系统由信号调理电路、数据采集卡、计算机及应用软件四部分组成。调理电路分为 直流调理电路、交流调理电路、l r c 调理电路，分别用来测量直流电压、电流：三相交 流电压、电流、功率、功率因数；电感、电阻、电容。 系统的设计指标为： 测量对象：直流电压；测量范围：o - 3 0 v ；设计精度：0 5 级 测量对象：直流电流；测量范围：0 一l a ；设计精度：o 5 级 测量对象：三相交流电压；测量范围：o - 5 0 0 v ：设计精度：0 5 级 测量对象：三相交流电流；测量范围：o 一2 a ；设计精度：0 ，5 级 测量对象：功率；测量范围：0 一1 0 0 0 w ：设计精度：l 级 测量对象：功率因数：测量范围：0 - 0 9 9 ；设计精度：0 5 级 测量对象：电感；测量范围：2 m h - 3 0 0 h ：设计精度：0 j 缴 测量对象：电阻；测量范围：0 5 q l o o k q ；设计精度：0 j 级 测量对象：电容测量范围：3 0 p f - 6 0 0 0 u f ；设计精度：0 5 级 系统的总体设计框图如图2 1 所示： 丽叶百沥即 数 f 一 据 采 集 卒卜匦睁 卡 图2 1 虚拟仪器系统设计框图 华中科技大学硕士学位论文 2 2 系统测量原理 系统的设计要与系统面向的对象联系起来，本文研究的是电气参数的测量，则也应 了解相关的测量原理。本系统设计的主要难点在于交流电气参数的测量。 1 交流电气参数的测量原理 ( 1 ) 单相电路的参数测量 由电路理论知，正弦交流电瞬时值的表达式为： u=u。sin(cot+妒。)(2-1) i = ls i n ( o x + 妒f )( 2 2 ) 其中u ，和l 分别为电压和电流的最大值，为交流电信号的角频率，吼、纯分别 为电压和电流的初相位。习惯上初相角绝对值小于等于1 8 0 。妒= 吼一纯为两个正弦量 的相位差。妒 0 ，说明纯 妒f ，则超前f 一个相位角。妒= 0 ，即“与i 同相位，简称 同相( i np h a s e ) 。妒 0 ，则u 滞后i 一个相位角。妒= + - z ，则称它们反相。 交流电流的有效值为 ，= j 手r 胁 c ：吲 对于周期电压则有： u = 亭f “2 出 cz 一。， 由此可见，周期量的有效值是瞬时值的平方在一周期内的平均值再取平方根，因此 有效值也叫做均方根值( r o o t m e a n s q u a r ev a l u e ) 。 在一个周期内，电路所吸收的平均功率叫做有功功率，即 p = 专乒f 出= w c 。s 妒 ( 2 5 ) 电压有效值u 与，电流有效值的乘积称为视在功率，即 s = u i ( 2 - 6 ) 无功功率的定义为q = 叩s i n 妒 ( 2 7 ) 则视在功率、无功功率、有功功率之间的关系可以用直角三角形表示出来，为 华中科技大学硕士学位论文 p = s c o s 口 q = s s i n 妒 s=p2+q2(2-8) 本设计用软件将被测信号进行离散化处理。系统在被测交流信号的一个周期内对其 进行n 次采样，测得离散的采样值“。，i 。，根据前面所介绍电路理论的知识，可以得出 交流电压、电流有效值为 u = 万- 刍n - i “：( 2 - - 9 ) ，= 1 万- 刍n - i 蠢( 2 - - 1 0 ) 式中，n = t t ，t 为采样时间间隔。 以离散的采样值计算有功功率为： 肚专酗 = u c o s 口( 2 1 1 ) 观在功率为： s 枷= 晤隔( 2 - - 1 2 ) 无功功率为：q = u i s i n c p 或者 q = 4 s 2 一p 2 ( 2 - - 1 3 ) ( 2 ) 三相电路功率的测量 三相电路中，负载的联接方式有星形联接和三角形联接。星形联接时，根据需要可 以采用三相三线制或三相四线制供电，三角形联接时只能用三相三线制供电。 三相四线制电路中，负载所消耗的总功率需要分别测出a 、b 、c 各相负载的功率， 然后相加。即 p = 只+ b + 尼( 2 1 4 ) l o 华中科技大学硕士学位论文 在三相三线制电路中，通常用两只功率表测量三相功率。采用两表法测功率接线图 如图2 2 所示 uc 7 f l 一 二 7 厶睐w 2 相 p 7 丫 负 载 ! i _ e 图2 2 三相三线制功率表接线图 仪器w 。、w ：测得的瞬时功率为： p 】= u a c i 。，p 2 = u b c i 6 ( 2 1 5 ) 瞬时功率之和为 p l + p ! = u a c i 。+ “k i b ( 2 1 6 ) = ( “。一t l c ) f 。+ ( u 6 一“。) = “。j + u j 6 一“。f 。一u c i 6 因为三相三线制电路i 。+ i 。+ f 。= 0 ，所以 p = p l + p ! = u o i 。+ u b i 6 + u c i 。 ( 2 1 7 ) 它在一个周期内的平均值就是三相总瞬时功率在一个周期内的平均值。不管电源或 负载是否对称，不管是星形负载还是三角形负载，上述结论都正确。所以三相所消耗的 总功率 p = 只+ 只= u c ，c o s 9 l + u 8 c 1 口c o s q ) | 2 ( - o - - i 8 ) 以离散的采样值计算p 。，r ， 置= 专薹“。k ，b = 专蓑“。( 2 - - 1 9 ) 进一步求得三相电路的有功功率 p = 只+ 昱= 专薹l l a e k l a k + 专薹u b e k l b k ( 2 - - 2 0 ) 三相无功功率和视在功率与单相电路的计算类似。当三相负载对称时，不论星形或 华中科技大学硕士学位论文 三角形接法，三相中、l 和c o s 妒都是样的，所以每一相中的功率大小相等，三相 功率为单相功率的三倍，即三相功率 p = 3 u 。i 。c o s ( p ( 2 2 1 ) = 3 c o s 伊 ( 2 - - 2 2 ) 无功功率和视在功率为： q = n 硼l f isinq，(2-23、 s=43uiit(2-24) 2 l r c 参数测量原理嘲 根据欧姆定律，阻抗可以看成是电路中电压与电流之比，在正弦交流的情况下，电 压与电流的比值是复数，在直角坐标系统中，阻抗z 可以表示为： 矿 z 2 一= r - f ( 2 2 5 ) ， 在l r c 测量系统中，如图2 3 所示。丘为信号源，经过限流电阻r 。加到被测阻抗z 。 上。当a 为一理想放大器时，被测阻抗z ；和采样标准电阻r 。流过同一电流，：i 哿矢量 电压矿。和矿，直接或经信号调理后送入数据采集卡的相应输入通道。 图2 ，3l r c 测量原理框图 c 为电容，r 为电阻、l 为电感，d 为损耗值，q 为品质因数，于是有 ( 1 ) 当测量阻抗z 。时， 1 2 华中科技大学硕士学位论文 z ：一r 。生：一只， 矿， 比 + ， + ，k 。 = 一r 。c 蛩+ ，特 = 一r ，( x + j y ) 对于电容串联等效电路，z = 尺z + i 石1 ，则有 妒崛耻等= x y 对于电感串联等效电路，z 一= r 。+ 越，则有 ( 2 ) 当测量导纳y 。时 则有； n g 一+ ，们一一击尝 1 ，吃 一百可 + 一 一( x + j y ) n r s v 。七j v 。 + 一，警芳 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) x y 也咄 = j i 疋 e y 一筹 r r = 耳生甜峨一吨玉甜咄一r = = = 几 l 函 华中科技大学硕士学位论文 g ，一亡z c p = 瓦1 y j 妒老一x 。 - - o i r r c o y ，= 芝y 。们。： 2 3 p c - d a q 方式的虚拟仪器系统 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 虚拟仪器是基于计算机和标准总线技术的模块化系统。v x i 总线和p c 机是虚拟仪器 最常见的硬件平台。v x i 总线具有数据传输率高( 4 0 m b s ) 、电磁兼容性好、体积小等 优点，但价格昂贵，台v x i 主机箱需要几十万美元，因此目前用户只限于军工及大型 工厂。而基于p c 机平台的虚拟仪器，不但具有强大的软件开发资源，歼发周期短，而 且造价低，性能价格比高，很适合于普通用户。 就构成方式来说，p c d a q 系统也是构成虚拟仪器最基本的方式。对于实验室建设来 说，我们可以利用现有的资源，采用p c - - d a q 系统来实现虚拟电气参数测量系统的研究 和开发工怍。系统构成框图如图2 4 所示。 参量l 参量2 参量r l 数 据 采 集 ：二= | ! 兰竺叫输出、绘图、显示、打印 - 岳 一 板 u 图2 4 p c - d a q 测试系统框图 系统各组成部分的功能： 1 传感器 完成信号的获得，它将被测参量转换成相应的可用输出信号，被测参量可以是各种 4 华中科技大学硕士学位论文 非电气参量，也可以是电气参量。如电力输电线高电压电网，可通过电压互感器将高电 压变为1 0 0 v 电压、通过电流互感器将电网大电流变为5 a 后，仍需采用电压、电流传感 器或变送器再将1 0 0 v 电压及5 a 电流分别转换成5 v 低电压，然后送入数据采集卡( 板) 中的a d 转换器。 2 信号调理 来自传感器的输出信号通常是含有干扰噪声的微弱信号。因此，后面配接的信号调 理电路的基本作用有两个：其一是放大，将信号放大到与数据采集卡( 板) 中的a d 转 换器相适配：其二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量，将频带压缩以降低采样频 率，避免产生混淆。如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号，即4 2 0 m a 电流信 号，则称这种信号调理电路为变送器。此外，根据需要还可进行信号隔离与变换等。 3 数据采集卡 主要功能有三：其一是由衰减器和增益可控放大器进行量程自动改换：其= 是由多 路切换开关完成对多点多通道信号的分时采样，时间连续信号x ( ) 经过采样后变为离散 时间序列工( n ) ，n = 0 ，l ，2 ：其三是将信号的采样值由a d 转换器转换为幅值离散化的数 字量，或由v f 转换器转换为脉冲频率以适应计算机工作。 4 计算机 是系统的神经中枢，它使整个测量系统成为一个智能化的有机整体，在软件导引下 按规定的程序自动进行信号采集与存贮，自动进行数据的运算分析与处理，以适当形式 输出、显示或记录测量结果。 2 3 1i 0 设备数据采集卡 作者选用研华公司的数据采集卡p c l - - 8 1 8 l s 及其外围硬件电路构建虚拟仪器电气 参数测量系统的硬件平台。p c l 一8 1 8 l s 数据采集卡有如下的功能和特点： 1 1 2 位a d 转换器，输入范围为双极性1 0 v 或5 v 可选择。采用d m a 传输可达 4 0 e h z 的采样频率。线性度为i l s b ，准确度为i l s b 。1 6 路单端或8 路差分模拟量输 入，可通过跳线选择。具有三种触发方式，可软件触发，定时触发或者外部触发。外部 触发与t t l 兼容。可对每个输入通道( 最大为8 ) 的增益进行编程并可自动进行通道 增益扫描。 华中科技大学硕士学位论文 2 一个1 2 位模拟量输出通道( d a 转换) ，输出范围为o + s v ( 或+ i o v ) ，线 性度为0 5 l s b 。稳定时间为5 u s 。 3 1 6 个数字量输入和1 6 个数字量输出，t t l d t l 兼容。 4 具有可编程定时触发器计数器i n t e l 8 2 5 4 。有三个1 6 位的计数器通道。其中，2 个通道被厂家固定设置为可编程定时器，1 个通道可自由运用，能够输出的脉冲范围 - 0 0 0 0 2 3 h z 2 5 m h z 。 5 可通过程序控制、使用中断或者d m a 三种方式进行数据传输。 6 包括免费的d o s 驱动程序w i n d o w sd l l 驱动程序。软件支持包括a c t i v e d a q 、 l a b v i e w 和w i n d o w s9 8 2 0 0 0 n t 高速d l l 驱动程序。 7 该数据采集卡提供i s a 总线与p c 接口。并附带一个扩展板，使用非常方便。 此卡不仅性能优异，而且有完善的软件支持。既可以在系统提供的环境下进行开发 工作，也可以自由选择平台以获得更大的灵活性。这使得这种卡成为工业控制和实验室 应用的较理想选择。作者设计的三相交流电气参量测量仪，所测频率为5 0 h z ，用此数据 采集卡也可以很好地满足需要。 2 3 2 虚拟仪器开发平台l a b v i e w l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 实验室虚拟仪 器工程平台) 是一个程序开发环境。它是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用 软件，利用它组建仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。 l a b v i e w 有如下特点“： 1 l a b v i e w 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具 库。 2 l a b v i e w 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“v l s ”。在计算 机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面板( f r o n tp a n e l ) ：在后台则是 利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器 相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。一般来说，每一个v i 都可以被其他v i 调用，其功能类似于文本语言的子程序嵌套；而这种嵌套的层次，从理论上讲，是不受 任何限制的。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 l a b v i e w 是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于 g p i b 设备控制、v x l 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程 序模块。 4 l a b v i e w 可方便的调用w i n d o w s 动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函 数：l a b v i e w 还提供了c i n ( ci n t e r f a c en o d e ) 节点使得用户可以使用由c 或c + + 语言， 如a n s ic 编译的程序模块，使得l a b v l e w 成为一个开放的开发平台。l a b v i e w 还直接支 持动态数据交换( d d e ) 、结构化查询语言( s q l ) 、t c p 和u d p 网络协议等。 此外，l a b v i e w 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便地设置 断点，动态地执行程序，从而非常直观地观察数据的传输过程，以及方便地调试。 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺伊曼计算机体系结构的 执行方式了。从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式( d a t af l o w m o d e ) ，这种方式确保了程序中的函数节点( f u n c t i o nn o d e ) 只有在获得它的全部数 据后才能够被执行。 既然l a b v i e w 程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所 有输入有效时才能够被执行；而目标的输出只有当它的功能完全时才是有效的。这样， l a b v i e w 中被连接的函数节点之间的数据流控制着程1 芋的执行次序。从而，我们可以通 过相互连接函数节点快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行 即所谓的多线程( m u l t i t h r e a d i n g ) 。 l a b v i e w 的核心是v i 。v i 有一个人机对话的用户界面前面板( f r o n tp a n e l ) 和相当于源代码功能的框图程序( d i a g r a m ) 。前面板接受来自框图程序的指令。在v i 的前面板中，控件( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置并把数据提供给v i 的框图程序； 而指示器( i n d i c a t o r s ) 则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数 据。 用l a b v i e w 编制框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从函数 面板( f u n o t i o np a l e r t e ) 中选择需要的函数节点( f u n c t i o nn o d e ) ，将之置于框图 上适当的位置；然后用连线( w i r e s ) 连接各函数节点在框图程序中的端口( p o r t ) 用来在函数节点之间传输数据。这些函数节点包括了简单的计算函数、高级的采集和分 华中科技大学硕士学位论文 析v i 以及用来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数。 l a b v i e w 依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用任务分解成为 一系列的子任务，每个子任务还可以分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的 问题分解成为许多子任务的组合。即首先设计s u b v i 完成每个子任务，然后将之逐步组 合成为能够解决最终问题的v i 。 图形化的程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展， 图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最有前途的发展方向。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 3 虚拟仪器系统的硬件设计 本章着重介绍了交流电气参数测量仪的硬件平台的构建，在设计信号调理电路过程 中分析了其关键指标和重要环节，给出了部分电路原理图，并设置了工作参数。 3 1 信号调理电路设计框图 虚拟仪器的工作过程：先把由传感器变换来的电信号输入仪器的信号调理电路，经 信号调理电路进行放大、滤波，然后再经数据采集卡存入内存，整个过程由软件控制， 采集到的数据进行数据分析和处理。通过不同功能模块的设计，实现各种仪器的功能， 如：示波器、功率表、交流电压电流表、相位计、频谱分析仪等。系统构成框图如下： 图3 1 信号调理电路框图 一般很少把传感器或来自被测系统的信号直接插入数据采集板，因为数据采集板 可能会对信号产生干扰，从而影响系统操作；同时还需把信号范围控制在数据采集卡的 量程之内，并要避免噪声。系统中有很多噪声源，包括传感器、电缆串音及a d 转换等 都会严重影响信号质量。总之传感器的电信号必须符合数据采集卡所能接受的格式，否 则就必须转换调理，调理方式包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。 3 2 信号隔离放大 在进行交流电气参数测量时，要同时输入电压、电流信号，而输入信号与数据采集 卡的隔离是一个优先考虑的问题。传统的方法是采用电压、电流互感器进行信号衰减、 隔离，并把经过滤波之后的信号送往a d 口进行模数转换。考虑到互感器的相移特性， 华中科技大学硕士学位论文 对其进行补偿可以得到较好的结果。 3 2 1 电流互感器原理 电流互感器具有变流和电气隔离的作用。微型电流互感器二次电流为毫安级，主要 起大互感器与采样之间的桥梁作用。电流互感器的运行情况相当于二次侧短路的变压 器。如图3 2 所示。绕组n 。接被测电流，称为一次绕组；绕组n 。接测量仪表，称为二次 绕组。一般选择很低的磁密( 0 0 8 o 1 t ) ，并忽略激磁电流，则电流比为i 。i = ! = n 。n f k 。 激磁电流是互感器误差的主要根源。 被 测 回 路 测 量 仪 表 图3 2 电流互感器工作原理 微型电压互感器，由于尺寸工艺原因通常采用电流型的电压互感器。实际上就是额 定电流比为l ，一次二次电流都是毫安级的电流互感器，如2 m a 2 m a 。 3 2 2 传感器电路 确一出 出 图3 3 电压信号输入电路图3 4 电流信号输入电路 毫安级精密电压互感器s p t 2 0 4 a ，输入额定电流为2 m a 。额定输出电流为2 m a ，非线 性度优于0 1 。使用时需要将电压信号变换成电流信号，使用电路如图3 3 所示。 图中，r 是限流电阻，不论额定输入电压多大，调整r 的值，使额定输入电流为 2 m a ，就满足使用条件。副边电路是电流电压变换电路，当需要电压输出时采用。调整 图中反馈电阻r 和r 的值可得到所需要的电压输出。使用性能较好的o p 0 7 ，较容易达到 较高的精度和较好的稳定性。 华中科技大学硕士学位论文 电容c ，及可调电阻r 是用来补偿相移即相位差的。由于通常电容不能微调，所以 需要调补偿电阻r 来达到所需的补偿精度。一般r 取亡矗，r 取意，c ，取值约为簧( u f ) ， r 取2 0 0 kq 。如果想节省一个电位器，r 可以用一个固定电阻来代替，其值可由公式 f 盟一1 以1 0 ，1 0 ， ，t ：! ：! 丝( 3 一1 ) 2 月- f c , 来确定。其中r 以q 为单位，c 。以u f 为单位，由c 为互感器上标的未补偿前的相移值， 以分为单位。计算出来的补偿电阻r 的值是以q 为单位的。 电容c 。和c 。是4 0 0 至1